Moderná výstavba betónových vozoviek v Nemecku

Stavebný materiál – betón sa používa na veľmi zaťažené dopravné plochy ako napríklad diaľnice, prevádzkové plochy letísk, pevné dráhy železníc a na veľmi zaťažené priemyselné plochy. Tieto plochy musia vyhovovať náročným požiadavkám na úžitkové vlastnosti a na životnosť a majú sa dať hospodárne zhotoviť. Príslušné vysoké požiadavky sa kladú na základné stavebné materiály a na betón, ako aj na personálne a technické zariadenie zhotoviteľa stavby.

Betón na dopravné plochy sa spravidla mieša na stavenisku. Ukladá sa mechanizovane technikou systému posuvného debnenia (finišerom s klznými bočnicami). Prevádzkové plochy z betónu sa na konci ich životnosti môžu recyklovať na vysokohodnotné kamenivá, ktoré sa znovu použijú v nových prevádzkových plochách ako ekologicky neškodná a hospodárna štrková nosná vrstva pod betónový povrch alebo ako kamenivo nosnej vrstvy s hydraulickým spojivom [1].

Intenzita cestnej premávky
V Nemecku sa za ostatných 30 rokov takmer zdvojnásobila intenzita prevádzky na spolkových diaľkových cestách – diaľniciach.

Priemerná denná intenzita prevádzky na diaľniciach predstavovala v roku 2005 asi 48 300 motorových vozidiel za 24 hodín s asi 14,5-percentným podielom premávky ťažkých nákladných vozidiel nad 3,5 t a autobusov. To zodpovedá približne 7 000 nákladných áut za deň. Na mnohých úsekoch je však zaťaženie niekoľkonásobne vyššie. Najviac zaťažená nemecká diaľnica je A 100 v Berlíne [2].

V rokoch 2004 a 2005 stúpla nákladná cestná doprava o 3,2 %. Na rok 2006 bol na základe pozitívneho hospodárskeho rozvoja a silno rastúceho zahraničného obchodu prognózovaný prírastok 4,8 % [3]. Taktiež rozšírenie EÚ, resp. narastajúca doprava z východnej Európy a do východnej Európy, vedú k stále vyššiemu zaťaženiu nemeckých ciest. Podiel zahraničných nákladných vozidiel predstavuje už teraz viac ako 22 %. Rastúcou nákladnou prepravou, ako aj pribúdajúcou premávkou osobných motorových vozidiel, sa dopravné komplikácie na sieti nemeckých diaľnic v ďalších rokoch ešte ďalej vyostria. Dôležité sú preto výkonné cesty s dlhou životnosťou a nízkymi nákladmi na údržbu. Tejto požiadavke vyhovujú vo vysokej miere moderné betónové cesty.

Pre nemecké nákladné automobily sú v súčasnosti dovolené nápravové tlaky okolo 11,5 t. Nákladné autá zo susedných štátov, ktoré taktiež používajú nemecké diaľnice, majú niekedy zaťaženie náprav až 13 t. Jedna náprava nákladného vozidla pritom zaťažuje cestu približne ako 160 000 náprav osobných áut. Preto sa väčšina veľmi zaťažených diaľnic zhotovuje z betónu [1].

Tab. 1: Desať diaľnic s najrušnejšou premávkou v roku 2005 v Nemecku [2]

Spôsoby výstavby a konštrukcia
V Nemecku sa dimenzujú betónové vozovky podľa smerníc pre štandardizáciu nosnej časti a povrchu prevádzkových plôch vydaných v roku 2001 [4]. Pre zhotovenie betónových krytov vozoviek na diaľnicach majú praktický význam tri spôsoby výstavby – betónový kryt sa navrství na nosnej vrstve s hydraulickým spojivom, na asfaltovej nosnej vrstve alebo na štrkovej podkladovej vrstve.

Na ohraničenie napätí z gradientov teploty a vlhkosti na nekritickú mieru sa pri diaľniciach (kryt vozovky do 30 cm) osvedčili rozstupy priečnych škár 5 m. Rozstupy pozdĺžnych škár – prispôsobené šírke vozovky – sú v tom istom rozmedzí, aby sa vytvorili približne štvorcové dosky. Pri takýchto rozstupoch sa navyše priečne škáry otvárajú len nepatrne. To priaznivo ovplyvňuje prenos priečnych síl od kolies prechádzajúcich z jednej dosky na druhú vzájomným zakliesnením zŕn kameniva v trhline (aggregate interlock, concrete joint). Malé svetlé šírky otvorov zvyšujú tiež životnosť tesnenia škár. Rozmer dosky nesmie prekročiť 25-násobok (v tuneli 20-násobok) jej hrúbky [5] a dĺžka strany nesmie byť väčšia ako 7,5 m, aby sa podružné (vynútené) pnutie príliš nezvýšilo.

Na zvýšenie prenosu priečnej sily, ale aj na zabránenie vzniku škôd od erózie v oblasti škár, sa pri nevystužených betónových plochách zabudujú v strede hrúbky dosky do priečnych škár plastickou látkou opláštené hladké oceľové klzné tŕne (d = 25 mm, l = 50 cm) s rozstupom 25 cm (alebo 50 cm pri úspornom spojení klznými tŕňmi) (obr. 2). Opláštenie plastickou látkou zabraňuje korózii a znižuje súdržnosť s betónom, takže priečne škáry sa môžu ľahko uvoľniť (odblokovať) a uzatvoriť klznými třňmi.

Aby sa pozdĺžne škáry pozvoľne neotvárali vzájomným oddeľovaním sa pásov dosák, zabudujú sa v 5 m dlhej škáre v dolnom tretinovom bode tri kotvy (pri pozdĺžnych tesných škárach a pri druhu konštrukcie „betónová vozovka na štrkové podložie“ päť kotiev) z rebrovanej stavebnej ocele (d = 20 mm, l = 80 cm) (obr. 1). Na ochranu pred koróziou sú tiež v strednej tretine (teda pod škárou) opláštené plastickou hmotou [1].

Zhotovenie betónovej vozovky
Miešacie zariadenia
Výstavba prevádzkových zariadení sa musí uskutočniť v čo najkratšom čase, aby sa prekážky v doprave obmedzili na minimum. Väčšina stavebných zákaziek je viazaná na prísne termíny a pri ich prekročení vznikajú vysoké penalizačné postihy. Preto treba vyrobiť a uložiť za jeden deň až 3 000 m3 betónu. Tak sa dodržia dohodnuté termíny výstavby a drahé špeciálne zariadenia sa využijú hospodárne. Miestne výrobne transportbetónu obyčajne nemajú dostatočnú kapacitu na dodávku takého veľkého množstva betónu, najmä počas dlhšieho obdobia niekoľkých týždňov. Aby sa zabezpečilo zásobovanie stavby takým veľkým množstvom vysokokvalitného cestného betónu tuhej konzistencie, zriaďujú sa špeciálne miešacie stanice spravidla priamo na stavbe.

Používajú sa buď šaržové miešačky s kapacitou 100 m³/h až 300 m³/h čerstvého betónu alebo kontinuálne pracujúce miešačky s podobnými výkonmi. Takéto miešacie zariadenia môžu byť rýchlo a hospodárne postavené, demontované a transportované [1]. Na obr. 2 je moderné miešacie zariadenie v normovanej veľkosti námorného kontajnera ISO.

Finišer s klznými bočnicami
V súčasnosti je ekonomické zhotovenie plôch z betónu možné len mechanizovanou technikou posuvného systému debnenia. Rovnako ako miešacie zariadenia, moderné finišery s bočnými klznými bočnicami sa môžu ľahko a hospodárne inštalovať, demontovať a prepraviť trajlermi.

Pomocou moderných finišerov možno dosiahnuť výkon ukladania čerstvého betónu až 800 bežných metrov za deň. Šírka ukladania je do 16,75 m a pre osobitné plochy do 18 m. Hrúbky ukladania sú pre diaľnice až do 30 cm. Zabudovanie nevystužených prevádzkových plôch z betónu sa väčšinou realizuje podľa ďalej opísaného postupu. Betón sa dopravuje obvyklými cestnými nákladnými vozidlami (v súčasnosti väčšinou štvornápravovými vozidlami) alebo, keď sa nemusia použiť verejné cesty, dopravuje sa dumpermi (obr. 3) od miešačky na miesto ukladania a pred finišerom sa čerstvý betón vyklopí [1]. Transport čerstvého betónu v hliníkových korbách je neprípustný. Betónový povrch by sa mohol poškodiť tvorbou vodíka v dôsledku vylučovania hliníka [5].

Betónový kryt môže byť po celej jeho hrúbke vytvorený z rovnakého betónu (jednovrstvový spôsob stavby). Ďalšie dva druhy betónov dvojvrstvového spôsobu výstavby sa odlišujú hlavne druhom kameniva. Keďže požiadavky na kamenivo pre podkladový betón sú nižšie ako pre vrchný betón (napríklad čo sa týka odolnosti proti mrazu a obrusovaniu, tvaru zrna a podobne), na výrobu podkladového betónu sa môže použiť iba štrk.

Vo februári 2006 sa v Nemecku vo Všeobecnom obežníku Cestné staviteľstvo (ARS) č. 5/2006 Spolkového ministerstva pre dopravu, výstavbu a rozvoja miest (BMVBS) [6] ako nová norma pre betónové vozovky znižujúce hluk zaviedla technológia výstavby betónových vozoviek vymývaným betónom. Od tohto dátumu sa pri nových zmluvách na výstavbu diaľnic stanovovala takmer výlučne stavebná technológia vymývaného betónu. V súčasnosti táto metóda predstavuje aj v Nemecku štandardnú metódu realizácie betónových vozoviek. Preto sa aj v ďalšom texte opisuje iba tento spôsob vytvárania povrchu betónovej vozovky.

Keďže pri použití metódy vymývaného betónu sú požiadavky na východiskové materiá­ly a na betón vyššie ako pri tradičnom vrchnom betóne, vozovky z vymývaného betónu sa z ekonomického hľadiska zhotovujú výlučne ako dvojvrstvové. Výnimkou sú malé plochy, ktoré sa takto nemôžu zhotovovať z dôvodov použitia technického zariadenia. Na dvojvrstvové ukladanie sa používajú dva oddelené finišery s klznými bočnicami (obr. 3). Prvý finišer ukladá podkladový betón v požadovanej hrúbke a výškovej polohe. Betón je zhutňovaný ponornými vibrátormi. Do zhutneného podkladového betónu sa potom automaticky zavibrujú klzné tŕne a kotvy.

Vrchný betón sa ukladá na zhutnený podkladový betón podľa pomerov na stavenisku čelným zavážacím zariadením ponad finišer pre podkladový betón a/alebo bagrom z boku. Tento druhý finišer s klznými bočnicami ukladá vrchný betón v plánovanej hrúbke a výškovej polohe a čerstvý betónový povrch v priečnom i pozdĺžnom smere vyrovná. Ukladanie vrchného betónu sa musí uskutočniť na zhutnenom podkladovom betóne metódou „čerstvý do čerstvého“. Iba tak sa dosiahne trvanlivé spojenie medzi obidvoma betónmi [1].

Výstavba a betonársko-technologické zloženie vozoviek s povrchom z vymývaného betónu
Hrúbka vrchného betónu – v tomto prípade vymývaného betónu – je 5 cm. Väčšia hrúbka nie je technicky a ekonomicky účelná. Hrúbka podkladového betónu závisí od stavebného pásma podľa RStO 01 [4] a má hodnotu od 17 do 25 cm.

Na zloženie vymývaného betónu, a teda aj na kamenivo, sa kladú vyššie požiadavky ako na zvyčajný cestný betón. Definované sú v Technických dodacích podmienkach pre kamenivá na cestné stavby v prílohe G, stĺpec „Vrchný betón“ 0/8 [7]. Kamenivo so zrnom od 4 mm do 8 mm musí byť drvené, kategórie C100/0 a tvar zrna musí vyhovovať kategórii SI 15 (charakteristické číslo tvaru zŕn) alebo FI 15 (charakteristické číslo plochosti zŕn). Okrem toho musí kamenivo vykazovať vysokú odolnosť proti obrusovaniu. Na rozdiel od doterajšej štandardnej stavebnej metódy s vrchným betónom 0/22 alebo 0/32 sa pre povrchy z vymývaného betónu vyžadujú vyššie hodnoty hladkosti kameňa (PSV), a to najmenej PSV 53.

Stavebná technológia vymývaného betónu, ale aj technológia s tenkým vrchným betónom, vyžaduje na zabezpečenie potrebných vlastností betónu použitie vyššieho obsahu cementu, asi 420 až 430 kg/m³ (spravidla CEM I 32,5R alebo CEM I 42,5N). Na dosiahnutie konzistencie potrebnej na ukladanie treba väčšinou použiť superplastifikátor. Minimálny obsah vzduchu čerstvého betónu sa nastaví podľa tabuľky 2 v ZTV Beton-StE 01 [5]. Ak sa napríklad do betónu použije kamenivo s maximálnym dovoleným zrnom 8 mm a súčasne sa použije superplastifikátor, nastaví sa obsah vzduchu na 6,0 obj. % pre jednotlivé hodnoty a 6,5 obj. % v dennom priemere. V protiklade k tenkému vrchnému betónu 0/8 mm sa vo vymývanom betóne väčšinou nenachádza frakcia zrnitosti 2/5 (nespojitá zrnitosť) [8]. Čiara zrnitosti vymývaného betónu prebieha preto približne pozdĺž normálnej čiary zrnitosti U8 podľa DIN 1045-2 [9].

Ukladanie betónu, úprava kefami a ošetrovanie povrchov vymývaného betónu
Podkladový a vrchný betón sa pri stavebnej technológii „exposed-concrete“ ukladá, zhutňuje a vyrovná ako zvyčajne. Vibračné zariadenie na zhutňovanie vrchného betónu však musí byť prispôsobené jeho malej hrúbke (napr. malá vibračná energia).

Na vyrovnaný povrch sa potom z pracovnej plošiny najčastejšie nastrieka kombinovaný spomaľujúci a ošetrovací prostriedok (obr. 4), ktorý časovo predlžuje hydratáciu cementu v najvyššej vrstve (milimetrová oblasť) a súčasne bráni vysychaniu čerstvého betónu. Odporúčané množstvo je podľa jednotlivých výrobcov asi 200 až 250 g/m². Keďže hĺbka upravovaná kefami závisí okrem iného aj od zloženia betónu, musí sa pre každé stavebné opatrenie skúškami priamo na stavenisku určiť ideálne množstvo nanášaného spomaľovacieho prostriedku. Ak je nanesené množstvo príliš malé alebo ak sa kombinovaný spomaľujúci a ošetrovací prostriedok nenastrieka rovnomerne a nepokrýva celú plochu, môžu pri odstraňovaní kefami nastať problémy, môžu vznikať napríklad „hladké miesta“.

Hneď potom, ako je betón dostatočne zatvrdnutý a zjazdný, sa nezatvrdnutá povrchová malta odstráni kefou a dočistí motorom poháňanou oceľovou kefou, takže vznikne vyrovnaná plocha z vymývaného betónu, na ktorej je vidieť hrubé kamenivo, napríklad frakcie 5/8 (obr. 5) [10].

Pretože ochrana proti odpareniu, nanesená v kombinácii so spomaľovačom, sa s povrchovou maltou odstráni kefami, je nutné ďalšie ošetrenie povrchu betónu. Z tohto dôvodu sa hneď po odstránení nezatvrdnutej povrchovej malty nastrieka z mobilného nosníkového zariadenia na betónový povrch ošetrovací prostriedok (obr. 6). Pri vysokých teplotách a/alebo vysokých rýchlostiach vetra sa musí vykonať aj ošetrenie povrchu betónu.

Škáry
Bezprostredne po odstránení povrchovej malty kefami sa musia vyhotoviť rezy na priečne škáry a takmer súčasne aj na pozdĺžne škáry. Šírka rezu je okolo 3 mm. Hĺbka rezu na priečne škáry je 25 až 30 % a na pozdĺžne škáry 40 až 45 % hrúbky betónu [5]. Škáry sa vytvárajú pomocou diamantových pílových listov chladených vodou. Moderné rezačky škár odsávajú priamo pri reze vznikajúci rezný kal [1].

Pred zaplnením škár sa musí rez podľa druhu škár a plniva škár rozšíriť [11]. Ako plnivo sa v súčasnosti používajú horúce a studené zálievkové hmoty, ako aj elastické profily [1]. V prípade, že sa priečne a pozdĺžne škáry uzatvárajú profilmi, nachádza sa problémová zóna v priesečníkoch. Napriek ochrane proti natiahnutiu (rozdutiu) často dochádza k pretrhnutiu profilov a následkom toho k netesnostiam. Preto by sa mali prednostne po­užívať na priečne škáry profily a na pozdĺžne škáry zálievkové hmoty.

Úžitkové vlastnosti betónových krytov vozoviek
Drsnosť povrchu a hluk pneumatík a vozovky
Vo viacerých zahraničných výskumoch sa pomocou metódy CPX preukázalo, že vymývaný betón s maximálnym zrnom 8 mm je z hľadiska emisie hluku rovnako hodnotný ako drvový asfaltový mastix [8]. Namerané hodnoty z diaľnice Inntal A93 pri Kiefersfelden vybudovanej v roku 2004 potvrdili veľmi dobré hlukové a nekĺzavé vlastnosti povrchov z vymývaného betónu 0/8. Povrch sa skúmal v apríli 2005 takzvanou meracou metódou blízkeho poľa (merací príves hluku) na ich účinok znižujúci hluk (obr. 7).

Bolo evidentné, že frekvenčné zloženie vymývaného betónu (WB) a priľahlého drvového asfaltového mastixu 0/8 S (SMA) sa len nepatrne odlišujú. Znižovanie hluku vymývaného betónu sa tiež nachádza v rozmedzí SMA [12]. Merania tiež preukázali, že hluk znižujúci účinok povrchu vymývaného betónu je pre pneumatiky nákladných vozidiel výraznejší ako pre pneumatiky osobných vozidiel.

Výsledky nad úrovňou požiadaviek dosiahla aj drsnosť povrchu vozovky (modrá čiara) (obr. 8). Povrch betónu nespĺňal požiadavky len na úseku dlhom sto metrov. Dôvodom horšej kvality povrchu boli problémy s prístrojom počas jeho realizácie.

Obr. 8: Namerané SCRIM-hodnoty

Pozdĺžna a priečna rovnosť, jasnosť, reakcia pri požiari
Moderné betónové vozovky vykazujú pri odbornom vyhotovení dobrú rovnosť v pozdĺžnom aj priečnom smere. Tie zostávajú zachované počas doby životnosti betónového povrchu vozovky pri každej teplote a pri každom zaťažení. Nevyskytujú sa vyjazdené koľaje, podmienené dopravou a teplotou (akvaplaning), ktorých sa vodiči motorových vozidiel tak obávajú.

Betónové vozovky sú svetlé, čo má pozitívny vplyv na bezpečnosť premávky najmä pri daždi a v noci. Betónové kryty vozoviek sa odporúča použiť v tuneloch, pretože majú dobré protipožiarne vlastnosti (betón je prakticky nehorľavý) a ich svetlosť umožňuje ušetriť náklady na osvetlenie. V Rakúsku sa povinne predpisujú pri cestných tuneloch s dĺžkou väčšou ako 1 km pri rizikovej triede III a IV betónové kryty vozoviek.

Záver
Betón je vhodným riešením pre veľmi zaťažené diaľnice, ale tiež pre prevádzkové plochy letísk, pre pevné dráhy železníc alebo priemyselné plochy – najmä pre jeho úžitkové vlastnosti – životnosť, hospodárnosť a ochrana životného prostredia. Aktuálne smernice [4] predpokladajú pri betónových cestách 30-ročnú životnosť. Zo skúsenosti z praxe možno očakávať ešte dlhšiu životnosť. Keďže betónové cesty v prvých 15 až 20 rokoch vyžadujú len zriedka údržbu a opravy, poskytujú vysokú mieru použiteľnosti s malými obmedzeniami dopravy údržbárskymi prácami.

Pri odbornom projektovaní a primeranom vyhotovení poskytuje prevádzková plocha z betónu trvalé úžitkové vlastnosti. To znamená únosnosť, odolnosť proti deformácii, rovnosť, svetlosť, vysokú drsnosť a malý hluk pneumatík a vozovky. K tomu pristupuje recyklovateľnosť starých betónových plôch, ktorá chráni životné prostredie úsporou nepoužitých stavebných látok, skladovacích priestorov a transportov. Na základe týchto vlastností sa táto technológia používa aj v rámci PPP projektov (Public Private Partnership), pri ktorých je podnikateľ 20 alebo 30 rokov zodpovedný za udržiavanie a zabezpečenie takzvaných funkcionálnych požiadaviek [1].

Dipl.-Ing. Thomas Wolf a Dr.-Ing. Walter Fleischer
Foto a obrázky: autori

Dr.-Ing. Walter Fleischer je konateľom spoločnosti HEILIT+WOERNER Bau GmbH. 
Dipl.-Ing. Thomas Wolf pracuje v uvedenej spoločnosti ako vrchný stavbyvedúci.

Literatúra
1. Fleischer, W., Wagner, R.: Beton für hochbelastete moderne Verkehrsflächen (Teile 1 und 2). In: Beton 53 (2003) H. 11, S. 536 – 538, Heft 12, S. 592 – 597.
2. Spitzenbelastungen auf Autobahnen. In: Asphalt 42 (2007) H. 4, S. 4.
3. Straßenbaubericht 2006. Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Berlin, im Dezember 2006.
4. Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen, Ausgabe 2001, RStO 2001. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen e.V., Köln, FGSV Verlag, 2001.
5. Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Fahrbahndecken aus Beton, ZTV Beton-StB 2001, Ausgabe 2001. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Arbeitsgruppe Betonstraßen. Köln 2001.
6. Allgemeines Rundschreiben Straßenbau Nr. 5/2006: Richtlinien für den Lärmschutz an Straßen – RLS 90. Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Bonn, 17.02.2006.
7. Technische Lieferbedingungen für Gesteinskörnungen im Straßenbau, TL Gestein-StB 04, Ausgabe 2004. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Arbeitsgruppe Mineralstoffe im Straßenbau. Köln 2005.
8. Sulten, P., Wolf, T.: Waschbeton – Eine alternative Betonoberfläche. In: Straße+Autobahn 57 (2006) H. 4, S. 210 – 218.
9. Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton, Teil 2: Beton – Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität, Anwendungsregeln zu DIN EN 206-1. Normenausschuß Bauwesen (NABau) im DIN Deutsches Institut für Normung e. V. Juli 2001.
10. Fleischer, W., Wolf, T.: Die Griffigkeit von Fahrbahndecken aus Beton (Teil 2). In: beton 54 (2004) H. 12, S. 610 – 614.
11. Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Fugenfüllungen in Verkehrsflächen, Ausgabe 2001, ZTV Fug-StB 2001. Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen, Abteilung Straßenbau. Köln: FGSV Verlag, 2001.
12. Schmerbeck, R.: Anwendung von Funktionsbauverträgen in Bayern. In: Tagungsband der FGSV-Betonstraßentagung 2005, Essen, S. 54-59. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Schriftenreihe der Arbeitsgruppe „Betonstraßen“, Heft 27, Köln 2006.

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.